光ファイバーを「光の通る管」と聞くと、中が空洞のストローを想像するかもしれません。一般的な石英ガラスの光ファイバーでは、中心のコアも、その周囲のクラッドもガラスです。光は空洞を通るのではなく、材料の性質の違いを利用して中心の領域に導かれます。
この記事では、コアとクラッドの二層構造を持つ基本的な光ファイバーを、光線の模型で考えます。特殊な空洞構造のファイバーや、通信方式の細部まで一つの図で説明するものではありません。まず、断面図の二重丸を見て、どこが空気なのかを勝手に決めないことが出発点です。
透明な二つの材料にも、違いがある
基本的な光ファイバーでは、コアの屈折率をクラッドより高くしてあります。屈折率は、光の進み方に関係する材料の性質です。「透明だから、どちらを通っても完全に同じ」とは限りません。
コアを進む光が境界へ適切な角度で当たると、全反射によってコア側へ戻り、先へ伝わっていきます。周囲に金属の鏡をびっしり貼らなくても、境界での光の性質を利用できるのです。図に描くジグザグは、この働きを見やすくした模型で、実際の細かな光の波の状態をそのまま描いたものではありません。
コアとクラッドの外には保護のための被覆もあります。被覆とクラッドを同じものとして読むと、どの境界が光を導く仕組みに関わるか分からなくなります。断面図に三つ以上の層が描かれていたら、名前を省略せずに照合しましょう。
全反射するなら、光は全く弱くならない？
全反射は、条件を満たす境界での光の振る舞いを表します。長いファイバーを通る間に、材料による吸収や散乱などの影響まで一切なくなる、という意味ではありません。接続部や曲げによって損失が増えることもあります。
長い距離へ光を送るには、光を閉じ込める構造だけでなく、材料の透明度も重要です。短い厚さでは透明に見える窓ガラスでも、非常に長い道のりを光が通る場合は、少しずつの減衰が積み重なります。「目の前が透けて見える」と「遠くまで十分な光を届けられる」は、同じ判定ではないのです。
光ファイバーは曲げて配線できますが、どんなに鋭く折り曲げてもよいわけではありません。曲げ方や種類によって影響が違うため、教材図で曲がった線を見ても、実物を折り曲げて試す必要はありません。使用中のケーブルを加工したり、光源のある端面を目でのぞいたりしないでください。
例題1 二つの区間で残る光
架空の模型では、同じ長さの区間を一つ通るごとに、入ってきた光の量の80％が残ります。最初の量を100としたとき、二つの区間を通った後はいくつ残りますか。二つの区間の間では光を補わず、別の損失もないものとします。
答え・解説： 一つ目の後は100×0.8＝80、二つ目の後は80×0.8＝64です。二つ目で減る量は80の20％で16なので、残る量は64となります。最初の100の20％を二回引いて60とするのではありません。
この80％は実際の通信ケーブルの性能を表す数値ではなく、割合を順につなぐための設定です。式の前に「一つ目へ100、二つ目へ80」と書けば、それぞれ何を100％としているかが見えます。材料の良し悪しを推測する前に、表の基準を合わせます。
例題2 出口が暗くなった原因を絞る
同じ光源と同じ受光器を使い、同じケーブルの出口の明るさを調べました。Aは緩やかに置き、Bは途中に急な曲がりを作ったところ、Bの方が受光量が小さくなりました。これだけで「ガラスがすべて不透明になった」と説明できますか。接続や光源の条件は変えていないものとします。
答え・解説： 説明できません。今回変えた曲がり方が、伝わる光の量へ影響した可能性を考えますが、材料全体が不透明へ変わった証拠はありません。急な曲がりによる損失と、材料そのものの吸収の変化を同じにしないことが重要です。
さらに、光が弱くなったことと、完全に断線したことも区別します。出力が小さいという記録だけでは、通り道が完全に切れたとは限りません。どんな故障でも一語で「断線」と答えるのではなく、どの条件を変えて、何を測ったかに戻って説明します。
線を描くときは、どの範囲の模型かを確かめる
光線図では、境界に当たる点と、次に当たる点を直線で結びます。線がコアの外へ出たまま、何の説明もなくまた戻ってくる図では、全反射の説明と合いません。一方、断面図には、長さ方向に伝わる光の道筋をそのまま書き込めません。横から見た図か、切り口かを区別してください。
細いガラスが光を運ぶという結論だけでなく、中心と周囲の役割を説明できれば、構造を読む力につながります。曲がった管だから光も自然に曲がる、という説明から、境界での働きへ進めてみましょう。
境界で戻る条件は水面での全反射、光が横へ散らばる現象はチンダル現象と観察者の位置で補えます。